气候动态和人类活动长时间的共同作用是当前全球变化的重要特征，并对陆地生态系统产生了深远的影响。草地生态系统是陆地表面分布最广的生态系统之一，贮藏了大量的土壤碳并在陆地碳、水和能量循环当中均起着重要的作用。同时，草地生态系统是农业和畜牧业重要的物质基础和能量来源，对区域乃至全球的经济发展和食品安全等均具有至关重要的意义。　　欧亚大陆草原带是全球最大的过渡生态系统，草地总面积达到13×106km2以上。该区域主要受到大陆性气候的控制，气候的大陆性程度随着经度的变化而逐渐变化。地带性草地从北至南的分布依次为:湿润区域的草甸草原（森林草原），半干旱区域的典型草原，干旱区域的半沙漠草原和极干旱区域的沙漠草原。由于北半球温带草地的生理生态特征，致使其对气候变化极其敏感，特别是干旱/半干旱典型草原区域。近几十年来，由于气候变化的加速，导致草地生态系统的变化和响应日趋明显;同时，由于其广阔的分布面积和丰富的自然资源，因此长期以来被人类所管理和利用，并受到人类活动的大量影响。两者的共同作用决定了近几十年欧亚大陆草原带生态系统碳循环在时空动态上的动态和变化趋势。　　陆地生态系统模型是当前全球变化研究当中的重要工具，随着全球气候变暖，温室气体浓度上升，极端气候频率更高，利用陆地生态系统模型在区域乃至全球尺度上的研究不断地发展和深入。但是由于种种限制因素的存在，当前对于欧亚大陆草原的区域性的生态系统模型研究还相对少见。另外，因为过程本身的不确定性和随机性很高且经常有人类因素的介入，扰动对于区域性草地生态系统碳循环的影响一直以来是大尺度模型和碳循环研究的难点。这也导致了在碳循环评估当中无法有效确认扰动对生态系统的影响力。其中，放牧扰动主要受到人为因素的驱动，因此较其他扰动因素更加难以量化和评估。　　本研究首先基于BEPS模型，通过修改原有模型关键参数，过程的算法，引入扰动模块，并由此形成了草地生态系统模拟器BEPS-GESS。进而，利用多源数据对BEPS-GESS的各个模块的主要输出结果进行了交叉验证和综合评判。结果表明BEPS-GESS能够有效地提高原BEPS模型在欧亚大陆草原带区域内的模型精度和模拟能力。之后，本研究利用BEPS-GESS对欧亚大陆草原带生态系统进行了全面的量化研究，包括1982-2008年期间的草地植被NPP,ET和WUE，1999-2008年期间的Rh和NEP的时空动态以及其对主要气候因子的响应的定量评估;利用新构建和引入的放牧和火灾扰动模式，对欧亚大陆草原带中的主要扰动因子的时空变化规律及其对陆地碳循环的影响进行了定量评估，并区分不同的扰动因子对于不同子区域的影响差异;结合模型碳/水循环研究结果和干旱度指数，对欧亚大陆草原带不同干旱条件下的植被响应进行了综合分析和机理性的探讨;结合欧亚大陆草原带主要覆盖国家的政治、经济和社会发展状况，对不同地区和国家的草地生态系统利用现状、管理方式和保护能力进行分析，并针对不同地区的发展特征提出相应的可持续发展建议。　　最后，本研究利用模型结果比较，参数敏感性分析和可追溯的模型分解模式对当前模型结果进行全面的分析和评价，并对模型的不确定性来源进行量化评估。从而明确当前模型的不足之处并为未来模型的进一步改进提出建议和方向。本研究的主要进展如下:　　1.BEPS-GESS主要输出结果多源验证和精度分析。通过对原有BEPS模型在重要参数和过程算法上的改进以及扰动模块的添加，本研究构建了草地生态系统模拟器BEPS-GESS。模型主要的研究结果与多源观测数据进行了比较和验证。结果显示，与草地样地/点观测的生物量数据相比，BEPS-GESS的整体拟合度R2达到0.79，比原BEPS模型结果提高0.08左右;与通量站观测结果比较和验证的结果显示BEPS-GESS能够有效地重演草地NEP在日尺度上的变化，并与通量站点的结果具有较好的一致性(R2的范围为0.74-0.85，RMSE的范围为0.4-0.96gC/m2)，相较于BEPS模型的结果，BEPS-GESS的R2结果提高了0.09，而RMSE减少0.23gC/m2。　　陆地蒸散结果与4个通量站点的观测比较显示BEPS-GESS模拟结果与观测数据比较的平均R2值为0.79，RMSE的平均值为9.96W/m2。　　放牧和火灾模拟的结果分别与多年围栏实验和遥感观测数据产品进行了比较。验证结果表明BEPS-GESS的放牧模块能够有效地模拟不同放牧强度下的草地生产力的季节性变化，同时对与观测的结果具有较好的一致性(R2=0.71，p＜0.01);而火灾模块与L3RJC遥感观测数据在火灾发生地区的拟合度上达到了86％，对火灾发生时间的模拟也较为准确(R2=0.52，p＜0.05)。　　2.欧亚大陆草原带NPP时空动态和气候响应分析。在1982-2008年间，欧亚大陆草原带的区域NPP的年平均值为120gC/m2，其中蒙古草原为116.9gC/m2，哈萨克草原为122gC/m2。在区域暖干化的背景下，蒙古草原的NPP呈现上升趋势，而哈萨克草原则在前苏联解体前后先上升后下降。区域内草地主要与年降水具有显著的正相关关系，而对温度的响应普遍较弱，因此证明降水是影响该区域植被生长的主要气候影响因子。　　3.欧亚大陆草原带NEP时空动态和气候响应分析。在1999-2008年期间，区域内的NEP为12.86gC m-2yr-1，其中蒙古草原为14.61gC m-2yr-1，哈萨克草原为4.55gC m-2yr-1。该区域草地生态系统是一个较小的碳汇，吸收碳的能力为57TgC yr-1。时空动态分析表明，由于气候暖干化的影响，草地的固碳能力正在逐渐减弱并有变成碳源的趋势，特别是在哈萨克草原部分，在10年间NEP出现了显著的下降。区域性NEP对气候因子的响应主要表现为对年降水较为敏感，而与年平均气温则没有明显的响应关系。不同温度条件下的草地NPP对降水的响应也具有明显的差异，其中在低年积温地区和中年积温地区的R2非常相似，均为0.265，而在高年积温地区呈现出更加明显的响应趋势，其R2达到0.507;NEP与年降水的关系虽然也显著相关，但是相关关系较弱，在低、中、高积温地区的R2分别为0.09，0.18和0.03。该研究结果表明，降水是控制区域NPP和NEP的主要气候因素，而温度则对NEP没有直接的影响。　　4.欧亚大陆草原带主要扰动因子时空动态分析。在1999-2008年期间，欧亚大陆草原带范围内的放牧活动年均消耗陆地碳达到1.41×1013gC yr-1，而火灾扰动的年总碳损失量为1.59×1010gC yr-1，两种扰动对碳的消耗合计占到区域年均NPP的2.9％;在1999-2008年期间，放牧和火灾扰动在欧亚大陆草原带区域内均呈现出显著的上升趋势（放牧活动:R2=0.82，p＜0.001，火灾:R2=0.51，p＜0.05）。对于放牧活动来说，在这段时间内，牲畜的数量呈现出近似线性增加的趋势，特别是在哈萨克草原。扰动因子快速增长的趋势可能导致其对欧亚大陆草原带生态系统碳循环的影响越来越大，且有可能成为区域性碳源/汇作用变化的重要因素。　　5.欧亚大陆草原带WUE时空动态分析。在1982-2008年期间，区域内的WUE年平均值为0.55gC/m2mm yr，其中蒙古草原为0.63gC/m2mm yr,哈萨克草原为0.5gC/m2mm yr。区域内WUE整体呈现上升的趋势，其中蒙古草原区域内的草地在27年间以每年0.0036gC/m2mm的速度上升，而在哈萨克草原，上升的趋势主要是在苏联解体之前，上升速率为0.011gC/m2mm。这主要是由于在27年间草地NPP的变化所导致的，如在蒙古草原，NPP呈现出显著上升的趋势，年变化率为0.96gC/m2(p＜0.001)，而在哈萨克草原，NPP则表现为先上升后下降的趋势，在苏联解体之前，草地.NPP呈现出显著上升的趋势(3.78gC/m2yr,p＜0.005)，而在苏联解体之后，NPP则以每年1.56gC/m2的速度下降。而ET在27年间没有明显的变化趋势，但是在中国区域内的草地呈现出显著上升的趋势(0.54mm，p＜0.05)。　　6.基于干旱度指数(Aridity Index)的区域碳循环气候响应和机制分析。欧亚大陆草原带的NPP、LAI、ET和WUE均由干旱区域到湿润区域呈现出明显的增加趋势。其中，最高的NPP、LAI和WUE均出现在干燥-半湿润区域(dry and semi-humid sub-region，DSH)，而最低值则出现在干旱区域(arid sub-region，AR);ET的最高值出现在湿润区域(humid sub-region，HU)，最低值出现在AR。在1999-2008年期间，欧亚大陆草原带超过65％的区域的WUE出现上升。但是，这不能证明区域内的草地正在恢复，因为区域的NPP甚至出现了小幅的下降。究其原因，WUE的上升主要是由于降水减少造成超过70％的区域ET下降。LAI与不同干旱状况下的生态系统WUE均具有很好的相关性，R2的范围是0.702-0.859(p＜0.01)，因此LAI是预测WUE的重要参数。在最干旱一端和最湿润的一端，WUE与年平均降水具有非常相似的负空间相关性。这种区域性的模式反映了水分条件在调节陆地生态系统和对不同干旱状况下的陆地生态系统中扮演着不同角色。　　7.区域性草业可持续发展策略研究。在哈萨克草原，苏联解体和经济私有化进程对于哈萨克草原的畜牧业和草地生产能力产生了深远的影响，以区域内主要的草地拥有国哈萨克斯坦为例，苏联解体导致区域内牲畜数量减少2/3以上，而私有化经济的发展则导致了在2000年之后，草地生产能力的逐渐下降;在蒙古草原，不同的政治经济发展体系导致了蒙古国和内蒙古境内的草地的管理和发展大相径庭。内蒙古在区域人口，GDP和牲畜数量上均明显高于蒙古国，特别是在2000年以后，蒙古国的草地生产力总量则略高于内蒙古。综合指数研究结果表明在21世纪之后，各国畜牧业在国民经济当中的地位均逐渐下降，畜牧业对草地的影响力也在不同程度地增强，其中最为明显的是乌兹别克斯坦和内蒙古地区，前者在2000年之后牲畜生产力比快速上升，并于2008年达到1000千万头/PgC以上，超出年平均水平65.8％，且显著高于其他所有地区;后者在2007年达到峰值，为4.9千万头/PgC，超出年平均水平85％。针对不同的地区发展和草地资源条件，本研究提出了针对性的草地可持续化发展和利用的管控措施，望为区域性更加合理的草地生态资源、生态功能和固碳能力的维持和保护提供借鉴和参考。　　本研究的创新之处包括以下三个方面:第一，构建新的草地生态系统模型BEPS-GESS。本研究通过改进BEPS模型并添加模拟的模块构建了新的草地生态系统模拟器，当前模型集成了BEPS模型原有的优势，并使模型在生态系统过程描述上更加完善，参数化上更加适合草地生态系统特征;另外，本研究在模型当中耦合了扰动因子（放牧和火灾）模块，提出了数据-过程结合的放牧扰动模拟模式，使当前模型能够对扰动因子的影响进行定量分析。第二，基于模型定量评估，填补区域尺度碳平衡研究空白。本研究对欧亚大陆草原带碳循环的研究能够填补区域性的研究空白。目前尚没有在区域尺度的整体评估欧亚大陆草原带的生态模型定量评估研究，特别是针对哈萨克草原碳收支情况，碳固定能力及其对气候变化的响应和区域性扰动的研究均鲜有报道，因此本研究能够填补区域性的研究和数据空白，为以后的研究提供参考和数据依托。第三，多源数据融合的模型验证、评估和不确定性分析。本研究以草地发生学和碳平衡理论为指导，融合了多源的观测数据对模型结果进行综合评判，因此达到对模型全方位的分析和评价;同时，本研究首次将可追溯的模型分解系统应用到遥感驱动的陆地生态模型当中，通过分析方法对模型结构进行拆解，对模型的误差和不确定性来源进行机理性的判断和分析，从而为今后模型改进和精度提高指导方向。　　总之，通过本研究的模型开发构建，数据融合和综合分析，在原有研究的基础上，对欧亚大陆草原带的固碳能力进行了全面细化的定量研究。本研究的结果不仅能够为草地生态系统生产力、固碳能力计算提供新思路、新方法，同时能够为区域性碳平衡研究，草地利用和管理评估提供重要的数据支撑和科学依据。